Comparatıve molecular dynamıcs study of equılıbrıum and non-equılıbrıum approaches ın cof and mof membranes for gas separatıon

Bu tez çalışması, gaz ayrımı amacıyla membran olarak kullanılan kovalent organik yapılar (COF) ve metal organik yapılar (MOF) üzerinde kapsamlı bir moleküler dinamik incelemesini sunmaktadır. Çalışmada, konsantrasyon gradyanına dayalı moleküler dinamik (CGD-MD) yöntemi kullanılmıştır. İlk olarak, literatürde deneysel verileri mevcut olan iki farklı COF membranı, COF-300 ve COF-320 üzerinden hidrojen (H₂) ve metan (CH₄) akışı simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, deneysel geçirgenlik ve seçicilik değerleriyle güçlü bir uyum göstermiştir. Aynı yöntem kullanılarak on üç farklı COF daha incelenmiş ve H₂/CH₄ ayrımı için NPN-1 ve PCOF-2 gibi umut verici adaylar belirlenmiştir. Ardından, sonuçlarımız gaz adsorpsiyonu ve difüzyon parametrelerini tahmin etmek için grand kanonik Monte Carlo (GCMC) ve denge moleküler dinamik (EMD) yöntemlerini birleştiren yaklaşım ile karşılaştırılmıştır. Bulgular, COF membranlarının gözenek boyutları 10 Å'nın altına indiğinde iki yöntemin farklı sonuçlar verebildiğini göstermiştir. GCMC+EMD yöntemi CH₄ seçiciliği öngörürken, CGD-MD yöntemi H₂ seçiciliği göstermektedir. Bu durum, COF membranlarının gaz taşınım performansını değerlendirirken seçilen yöntemin önemini ortaya koymaktadır. Tezin ikinci bölümünde, zeolitik imidazolat yapı-8 (ZIF-8)'in basınca bağlı amorflaşma süreci ayrıntılı olarak incelenmiştir. Simülasyonlar, atomik yük atama modellerinin ve gözeneklerdeki CH₄ misafir moleküllerinin varlığının, yapısal çöküşün başlangıcı ve ilerleyişi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Rastgele başlangıç hızlarıyla yapılan farklı simülasyonlar, amorflaşma sürecinin rastlantısal doğasını ortaya koymuştur. ZIF-8'in basınca bağlı amorflaşma sürecinde uzun menzilli düzenin kaybını izlemek için g(r) çift dağılım fonksiyonu (PDF) analizi yapılmıştır. ZIF-8'in kristalliği 0.8 GPa'ya kadar korunmakta, ancak daha yüksek basınçlarda yaklaşık 7–30 Å aralığındaki PDF piklerinin kaybolmasıyla uzun menzilli düzen bozulmakta ve yapı amorf hale gelmektedir. Orta miktarda adsorbe olmuş CH₄ molekülü (≤54) kristalden amorf yapıya geçiş basıncını değiştirmezken, yüksek yükleme (400 molekül) durumunda amorflaşma başlangıcının yaklaşık 1.0 GPa'ya kaydığı gözlenmiştir. Amorflaşma ile elde edilen yapılar kullanılarak CGD-MD yöntemi, kristal ve amorf ZIF-8 membranlarında CO₂/CH₄ ayrımı için uygulanmıştır. Kristal form, CO₂ için 23.380 Barrer ve CH₄ için 1.746 Barrer olmak üzere daha yüksek geçirgenlik göstermiştir. Buna karşılık, 0.4 GPa'da elde edilen yapı (aZIF-8@0.4 GPa) CO₂ için 11.617 Barrer ve CH₄ için 591 Barrer geçirgenlik sergilemiştir. Bu düşüşe rağmen, aZIF-8@0.4 GPa'nın CO₂/CH₄ ideal seçiciliği (19.65) kristal forma (13.39) göre daha yüksek bulunmuştur. Ortalama kalma süresi (MRT) analizi, CO₂ moleküllerinin yapı içinde CH₄'e kıyasla daha uzun süre kaldığını ve daha güçlü etkileşimler gösterdiğini doğrulamıştır. Sonuç olarak, bu çalışma, gözenekli membranlarda gaz taşınımını incelemek için GCMC+EMD ve CGD-MD yöntemlerini karşılaştırmakta ve amorflaşmanın gaz ayırma performansını iyileştirmek için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Bu bulgular, gözenekli malzemelerde gaz taşınımının anlaşılmasına katkı sağlamakta ve gelecekteki COF ve MOF membranlarının tasarımı için denge dışı simülasyonların önemini vurgulamaktadır.